Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 141.

Особенности развития систем мониторинга и диагностики вращающегося оборудования

В последние годы ведутся интенсивные разработки систем мониторинга (контроля) состояния сложных технических объектов. Но эти разработки, как правило, идут параллельно развитию систем автоматического управления, и лишь при создании новых поколений сложных объектов делаются попытки объединить средства управления и мониторинга в единую систему, придав ей новые функции — диагностики состояния.

В машиностроении развитие систем мониторинга традиционно идет по пути использования диагностической информации с тех датчиков параметров основных процессов, которые являются составной частью системы управления. Но в большинстве случаев оказывается, что на ранней стадии развития дефекты в объектах контроля настолько слабо влияют на контролируемые сигналы, что обнаружить влияние развивающихся дефектов на фоне естественных флуктуаций этих сигналов практически невозможно. Лишь сильные дефекты незадолго до отказа оборудования обнаруживаются по параметрам этих сигналов с приемлемой достоверностью. Поэтому простейшее объединение систем управления и мониторинга позволяет лишь обеспечить надежную аварийную защиту объекта, не решая задач глубокой диагностики и долгосрочного прогноза его состояния. Как следствие, отсутствует возможность своевременно подготовиться к обслуживанию и ремонту, а также правильно определить их оптимальный объем.

Еще одним шагом в объединении систем управления и мониторинга является дополнительное использование датчиков вторичных процессов, дающих косвенную информацию о состоянии объекта. Для таких объектов, как вращающееся оборудование, наибольший эффект дает использование дополнительных датчиков вибрации, содержащих максимально возможный объем информации о состоянии объекта. Именно поэтому вибрация машин давно стала нормируемым параметром, а в 2000 году в России введен в действие стандарт ИСО по вибрационному мониторингу машин (ГОСТ ИСО 10816, части 1-4). Этим ГОСТом заданы параметры контролируемых составляющих вибрации и их пороговые значения, разделяющие зоны допустимой и недопустимой вибрации. Дополнительно зона допустимой вибрации разделяется на три части, характеризующие разное вибрационное и косвенно связанное с ним техническое состояние оборудования.

Использование вибрационных каналов в системах управления и контроля стало основным направлением развития этих систем не только при создании нового, но и при модернизации эксплуатируемого роторного оборудования. Более того, во многих отраслях промышленности были выпущены нормативные документы, определяющие порядок внедрения автономных систем вибрационного мониторинга для аварийной защиты ответственного оборудования. Как следствие, появилось большое количество производителей систем вибрационного мониторинга и возросла конкуренция между ними.

Какие же возможности дает типовая (по существующим ГОСТам) автономная система защитного вибрационного мониторинга пользователю и какие имеются возможности расширения ее функций?

Большинство систем вибрационного мониторинга выполняется в соответствии с требованиями ГОСТа и контролирует низкочастотную вибрацию машин, которая практически без потерь распространяется от места возникновения до удаленных точек контроля вибрации. Для аварийной защиты этого достаточно, так как каждый дефект на конечном этапе своего развития приводит к появлению цепочки других дефектов, хотя бы один из которых легко обнаруживается по низкочастотной вибрации. Более того, некоторые из дефектов могут обнаруживаться по низкочастотной вибрации задолго до того, как станут аварийноопасными, что позволяет в ряде случаев прогнозировать возможный отказ контролируемого оборудования и своевременно подготавливаться к его ремонту или замене.

К сожалению, достоверность долгосрочного прогноза состояния вращающегося оборудования, обеспечиваемая стандартными системами вибрационного мониторинга, весьма низка, поэтому для достижения приемлемых результатов системы мониторинга приходится расширять. В настоящее время подобное расширение идет по двум основным направлениям. Первое — увеличение числа контролируемых физических процессов в первую очередь путем установки датчиков температуры отдельных узлов оборудования, а также использование сигналов с датчиков систем автоматического управления. Второе направление — расширение частотного диапазона и числа точек контроля вибрации машин. Каждое из этих направлений имеет свои преимущества и недостатки.

К недостаткам первого направления можно отнести:

— высокую стоимость расширенных систем мониторинга (стоимость каждого канала непрерывного контроля параметров доходит до 2-4 тысяч долларов США);

— узкую специализацию подобных систем под каждый вид контролируемого оборудования, необходимость привлечения к разработке систем мониторинга производителей этого оборудования;

— необходимость подготовки квалифицированных экспертов, осуществляющих совместный анализ результатов измерений параметров различных процессов в конкретных типах оборудования.

К недостаткам второго направления можно отнести:

— необходимость увеличения точек контроля вибрации с соответствующим ростом стоимости системы;

— усложнение методов и средств анализа сигналов и необходимость автоматизации процессов обработки информации.

Преимуществами первого направления расширения систем мониторинга являются:

— возможность объединения функций мониторинга, диагностики и управления в одной системе;

— возможность оптимизации системы для каждого вида машин, обеспечение простоты ее эксплуатации;

— возможность управления режимами работы машин в зависимости от ее текущего технического состояния.

Преимуществами второго направления развития систем мониторинга можно считать:

— возможность получения универсальных решений для многих видов машин и создания модульных систем для построения единых систем мониторинга группы машин или даже целых производств;

- наличие нескольких независимых способов снижения стоимости систем мониторинга без снижения качества получаемых результатов.

Из сказанного следует, что существующие системы вибрационного мониторинга не решают вопросы долгосрочного прогноза состояния вращающегося оборудования, т. е. не могут быть использованы для перехода на обслуживание и ремонт оборудования по фактическому состоянию. Но могут ли они приобрести эти возможности путем модернизации средств анализа сигналов вибрации и диагностического программного обеспечения?

В настоящее время интенсивно развиваются два разных направления вибрационной диагностики вращающегося оборудования. Первое направление — это определение причин изменений параметров вибрации, обнаруживаемых системой мониторинга. Это направление получило название диагностики по данным мониторинга. Второе направление — превентивная (профилактическая) вибрационная диагностика, которая использует индивидуальные алгоритмы и точки контроля вибрации для обнаружения каждого вида дефекта на этапе зарождения, позволяющие контролировать развитие этих дефектов в течение всего жизненного цикла объекта контроля.

Если в системе мониторинга используются методы вибрационной диагностики первого направления, глубина диагноза и достоверность долгосрочного прогноза состояния вращающегося оборудования могут быть частично повышены за счет расширения частотного диапазона измеряемой вибрации и увеличения сложности анализа контролируемых сигналов в уже имеющихся точках контроля. Однако на практике такая модернизация существующих систем мониторинга с расширением диагностических возможностей ограничена следующими факторами:

— слабое влияние некоторых видов зарождающихся дефектов на параметры вибрации в стандартизованных точках контроля на опорах вращения машин;

— ограниченные технические характеристики средств измерения вибрации, используемых в существующих системах мониторинга, и прежде всего недостаточный частотный и (или) динамический диапазон датчиков вибрации.

Следствием этих ограничений является то, что эффективные системы глубокой диагностики по данным мониторинга появляются лишь в новых поколениях вращающегося оборудования в виде объединенных систем контроля, защиты и управления. Разработчиками таких систем становятся производители нового оборудования, которые проводят глубокие исследования по повышению его контролеспособности, использованию для диагностики датчиков различных видов сигналов, оптимизации точек контроля и методов обработки сигналов. Для этого производители оборудования расширяют свои подразделения, занимающиеся вопросами автоматического управления и диагностики, привлекая к их работе ведущие диагностические фирмы.

Для использования в системах мониторинга превентивных методов диагностики необходимо не только расширять диапазон частот контролируемой вибрации и усложнять методы ее анализа, но и увеличивать число точек контроля вибрации. При этом можно обойтись, во-первых, без использования датчиков других видов сигналов, а во-вторых, без повышения контролепригодности оборудования с привлечением к подобным работам их производителей.

Именно экономическими причинами объясняются частые обращения заказчиков на российские предприятия по вопросу модернизации имеющихся систем вибрационного контроля (мониторинга) с целью придания им функций глубокой диагностики, позволяющих прогнозировать аварийные ситуации задолго до их возникновения и своевременно готовиться к ремонту или замене оборудования. Но, как правило, такая модернизация оказывается невозможной из-за неудовлетворительных технических характеристик измерительной части имеющихся систем мониторинга. В этом случае специалисты отечественного производства предлагают дополнить стационарную систему мониторинга переносной системой глубокой диагностики, позволяющей по данным периодических измерений вибрации прогнозировать выходы из строя не одной машины, а большой группы машин, до 100 и более единиц.

В отличие от существующих достаточно дорогих аналоговых систем (до 2—4 тыс. долларов США на канал) мониторинга, они выполнены в цифровом виде, и их стоимость составляет около 500 долларов США на канал. Естественно, что число каналов контроля вибрации в стационарной системе мониторинга и глубокой диагностики несколько выше, но это увеличение весьма незначительно.

Так, например, существующие системы вибрационного мониторинга насосного агрегата имеют 12 каналов контроля вибрации (по три канала на каждую опору вращения). В соответствии с ГОСТ ИСО 10816 минимально необходимое число каналов контроля вибрации составляет 2 на одну опору вращения, т. е. система защитного вибрационного мониторинга должна иметь 8 каналов. Для системы глубокой диагностики насосного агрегата необходимо, кроме датчиков на опорах вращения, использовать еще по 2 датчика на электродвигателе и насосе, т. е. общее число каналов измерения вибрации сохраняется на прежнем уровне и составляет 12 каналов.

Более того, поскольку датчики на корпусе двигателя и насоса не входят в обязательном порядке в систему защитного мониторинга, их можно установить, но не включать в стационарную часть системы, тогда их стоимость снизится в 2—3 раза. Для измерения вибрации в этих точках можно пользоваться переносным сборщиком данных, одним на целое производство, включающее сотни единиц контролируемого оборудования. Можно вообще не ставить дополнительные датчики вибрации стационарно, а лишь подготовить места их установки на время измерений. В результате, при резко возросших технических возможностях стоимость стационарной модульной системы отечественного производства оказывается значительно ниже не только зарубежных, но и отечественных разработок. Что касается систем мониторинга в искробезопасном исполнении, то их стоимость на 20—30 процентов выше.

А. В. БАРКОВ

В 142 выпуске читайте: Маяк не только для рыбаков (ветроустановка на Чудском озере)